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単語帳
高校1~高校2年生 (15-17歳)

熱と熱力学の法則

Heat and Laws of Thermodynamics

熱は温度差によって伝わるエネルギーで、熱い物体と冷たい物体が触れると熱が移動します。 熱量 Q = mcΔT は質量・比熱・温度変化の積で求め、熱力学第一法則 ΔU = Q − W はエネルギーの保存を表します。 P-V図では曲線の下の面積が気体のした仕事として読めます。 このページでは温度と供給熱量を変えながら、等温曲線とエネルギーの分配を確かめてみましょう。

熱とは何か?
🔥 熱の直感
①熱い物体と冷たい物体を接触させると熱が移動
②熱(Q)は温度差により伝わるエネルギー
③熱量 Q = mcΔT — 質量·比熱·温度変化の積
P-V図
350 K
💡 P-V図の読み方
①等温過程:PV = nRT = 一定 → 双曲線
②温度が高いほど曲線は上/右へ
③P-V図の下の面積 = 気体がする仕事(W)
熱力学第1法則
50 J
熱力学第1法則(エネルギー保存)
ΔU = Q - W
内部エネルギー変化 = 吸収した熱 - 気体がした仕事
第1法則の意味
①エネルギーは生成も消滅もしない(保存!)
②気体に熱(Q)を与えれば → 内部エネルギー増加(ΔU)+仕事(W)に分配
③Q > 0:吸収、Q < 0:放出 / W > 0:気体が仕事をする
熱量と比熱
熱量公式
Q = mcΔT
熱量(J) = 質量(kg) × 比熱(J/kg·K) × 温度変化(K)
熱平衡
Q出 = Q収 (熱平衡)
高温物体が失った熱 = 低温物体が得た熱
例題で確認
例題 1
質量 2 kg、比熱 0.5 kJ/(kg·K) の物体の温度を 20 K 上げるのに必要な熱量は?
1
熱量の式 Q = mcΔT を使う。
Q = mcΔT
2
m = 2 kg, c = 0.5 kJ/(kg·K), ΔT = 20 K を代入する。
Q = 2 × 0.5 × 20 = 20 kJ
20 kJ
比熱 c が大きいほど、同じ温度変化により多くの熱が必要。単位(kJ/kg·K)を揃える。
例題 2
気体に 80 J の熱を加えると、気体が外部に 30 J の仕事をした。内部エネルギーの変化は?
1
熱力学第1法則 ΔU = Q − W を使う。
ΔU = Q − W
2
Q = +80 J(吸収)、W = +30 J(気体が仕事)を代入する。
ΔU = 80 − 30 = 50 J
50 J(増加)
第1法則の W は気体がした仕事。吸収した熱のうち仕事に使った残りが内部エネルギーになる。
総まとめ
熱量
Q = mcΔT
第1法則
ΔU = Q - W
共通テスト類題
断熱容器内の気体が外部に 120 J の仕事をした。この気体の内部エネルギーの変化は?
+120 J
+60 J
0 J
−60 J
−120 J
⑤ −120 J
1
断熱過程は熱の出入りがないので Q = 0。
Q = 0 ⇒ ΔU = −W
2
W = +120 J(気体が仕事)を代入する。
ΔU = −120 J
🎯 試験ポイント
①Q = mcΔTで比熱cが大きいほど温度変化が小さい
②熱力学第1法則:ΔU = Q - W (エネルギー保存)
③等温過程:ΔT=0 → ΔU=0 → Q=W
④断熱過程:Q=0 → ΔU=-W(仕事をすると温度低下)
⑤熱は高温→低温へのみ自発的に移動(第2法則)
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